程序的表示、转换与链接 - week1

发表于 2020-05-30 标签程序的表示、转换与链接

最近在 coursera 上发现一门不错的课程，程序的表示、转换与链接，内容是类似《深入理解计算机系统》这本书的，说来惭愧，虽然在上学时零星上过一些相关的课程，但是却没有系统地将这些内容串起来理解。本着算法工程师首先得是个工程的原则，觉得还是有必要去了解一下这块内容；而且课程内容讲得挺通俗的，值得一听。

本文的内容主要是 week1 的内容，较为宏观地介绍了如何从冯・诺依曼体系结构演进至现代计算机结构、程序执行的基本原理、微体系结构与指令集 (ISA) 等。由于课程 PPT 说得已经较为清晰了，这里大部分内容会直接截图（懒得再打字也是一个原因。。。）

冯・诺依曼结构

基本思想

冯 - 诺依曼结构主要思想是存储程序的工作方式，即让计算机完成的任何的一项工作，事先要编写成程序，然后把这个程序以及程序处理的这个数据先要送到主存，然后启动运行，运行以后，计算机就可以自动的取出一条一条指令，并且取出来进行执行，就是取出指令，执行。然后再取下条指令再执行，这样按部就班的取出指令并执行

按照上面的描述，计算机应该有如下的组成部分

更抽象一点的结构如下

因此，冯 - 诺依曼结构主要思想是

计算机由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备五个基本部件组成
各部件的基本功能是
- 存储器不仅能存放数据，也能存放指令，形式上两者都是 0/1 序列
- 控制器能自动取出指令来执行
- 运算器能够进行加减乘除、与或非等运算
- 操作人员可以通过输入设备和输出设备与主机进行通信
内部以二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址
采用 “存储程序” 的工作方式

现代计算机的模型结构和工作原理

现代计算机采用的基本就是前面提到的冯 - 诺依曼结构，更深入地看 CPU 的基本组成如下图所示，

各个部件的作用如下

PC（program counter）: 程序计数器，是一个用于存储指令在 memory 中的地址的寄存器，需要执行的指令先送到 PC，然后送到 MAR
MAR (memory address register)：存储 memory 中某些指令或数据的地址 (跟总线相连)，除了接收 PC 的指令地址，还可以接收 GPR 的数据地址
MDR (memory data register): 从 memory 读出的指令或数据 (跟总线相连)，送给 IR 或 GPR（同理也可往里面写）
IR（instruction register）：存储真实的指令，每条指令由 OP 和 ADDR 组成，表示指令的具体操作和要操作的对象的地址，供控制器读取
标志寄存器：存储运算的结果得到的符号是什么，有没有进位有没有溢出等等一些标志信息

因此，cpu 从内存读取指令 / 数据的流程是：PC/GPR -> MAR -> memory -> MDR ->IR/GPR(同时会有一些控制信号，即图中的红色虚线）

下面是以做菜的例子更详细描述计算机是如何工作的

从机器语言到高级编程语言

机器语言（01 表示指令）：增减指令后需要重新对纸带打孔
汇编语言（符号表示指令）: 增减指令不影响，需要通过汇编程序转为机器语言
高级语言：与平台无关，编译程序 (生成目标文件）和解释程序（不生成目标文件）

因此，高级语言 (这里以 c 为例）需要执行如下步骤才能最终被计算机执行

各个步骤做的事情如下

预编译（生成 .i 文件）：主要是处理 # 开头的语句，如进行宏展开、将被 include 的文件插入到对应的地方（递归执行）
编译（生成 .s 文件）：将代码编译成汇编代码，包括词法分析、语法分析、语义分析和生成汇编代码的优化；虽然不同语言都可通过 gcc 来统一编译，但是 gcc 对于对于不同的语言调用了不同的编译程序（如 c 是 cc1，c++ 是 cclplus，java 是 jc1）
汇编（生成.o 文件）：将汇编代码逐条转换成机器指令（有查找表）
链接（生成可执行文件）：静态链接与动态链接

下面是一个简单的例子